基坑的特點(diǎn)以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

劉 魯 濱

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

基坑工程涉及的學(xué)科眾多，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。在施工過(guò)程中，要更加注重安全性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)成本，施工難度的增加會(huì)隨著開(kāi)挖深度的增加而增大，因此，設(shè)計(jì)在施工中的作用尤為重要，如何兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，是基坑設(shè)計(jì)的一大原則。

2 基坑工程的特點(diǎn)

1)臨時(shí)性。基坑工程的臨時(shí)性主要體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工階段支撐著基坑結(jié)構(gòu)不被外力所破壞，其使用時(shí)間有限，一般在1年～2年，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中是一項(xiàng)重要的工作，一定要做好預(yù)處理準(zhǔn)備[1]。

2)區(qū)域特點(diǎn)明顯。不同地區(qū)的基坑結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境不同，因此在施工設(shè)計(jì)時(shí)也需要因地制宜[2]，一般需要前期勘察，根據(jù)勘察報(bào)告進(jìn)行方案的制定，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘查的情況進(jìn)行全面地分析和研究后，做出適合的方案，不可類(lèi)似工程全部照舊實(shí)施。

3)環(huán)境影響。周邊建筑對(duì)于基坑施工也有顯著影響，特別是周邊的建筑、地下管線(xiàn)、地下水以及基坑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，施工的難度因素是一個(gè)綜合性指標(biāo)，取決于周邊綜合特性，一旦設(shè)計(jì)未考慮周全，會(huì)造成地面建筑的沉降、地表隆起等問(wèn)題，嚴(yán)重影響施工的進(jìn)度。

4)時(shí)間以及空間影響。基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，暴露時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響基坑的穩(wěn)定性。同時(shí)還有開(kāi)挖的順序，基坑的深度以及開(kāi)挖的面積等關(guān)鍵因素，原有土質(zhì)的受力發(fā)生變化，建立新的應(yīng)力—應(yīng)變體系[3]，要盡快建立穩(wěn)定的受力體系，防止出現(xiàn)不穩(wěn)定受力，使得周?chē)馏w的穩(wěn)定性受到影響。

5)學(xué)科綜合性。主要指的是基坑的設(shè)計(jì)施工要涉及不同的學(xué)科以及領(lǐng)域，并不是單一學(xué)科可以解決的，其中涉及到土力學(xué)[4]、工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)，要求實(shí)際設(shè)計(jì)人員要精通各種學(xué)科，同時(shí)針對(duì)性的提出合適的設(shè)計(jì)方案和理念，進(jìn)行綜合分析和運(yùn)用。

6)施工難度大。對(duì)于周邊建筑繁多的地段進(jìn)行施工，施工難度會(huì)加大，因?yàn)橐紤]既有建筑的地下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及地下已有的管線(xiàn)問(wèn)題，在不影響原有功能的條件下進(jìn)行基坑施工[5]，要格外注意安全，現(xiàn)有施工安全事故大部分都是由于基坑坍塌導(dǎo)致周邊沉降過(guò)大，影響地下管線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)生管道漏水，管線(xiàn)切斷，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

7)短開(kāi)挖，快支護(hù)。基坑開(kāi)挖過(guò)程中，不要貪圖速度快，一定要做好支護(hù)，每次開(kāi)挖的深度一定要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，禁止超挖，而且開(kāi)挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)一定要及時(shí)進(jìn)行施工，保證開(kāi)挖過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生多余的外力，使得基坑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

8)施工信息化程度要求高。發(fā)生眾多的施工事故與監(jiān)測(cè)以及勘察不到位有關(guān)，因此在施工過(guò)程中，一定要進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)，發(fā)生問(wèn)題，及時(shí)匯報(bào)，及時(shí)處理，應(yīng)用科學(xué)的手段和方法保證施工的安全性，同時(shí)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位，掌握土體開(kāi)挖過(guò)程中的相關(guān)信息，為后續(xù)施工提供建議。

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析

3.1 工程概況

該工程位于忻州市開(kāi)發(fā)區(qū)東南角，基坑南側(cè)有熱力管線(xiàn)，建筑綠線(xiàn)，污水管線(xiàn)，化糞池，地下車(chē)庫(kù)以及住宅樓，基坑的北側(cè)有圍墻，電纜線(xiàn)，給水管線(xiàn)以及污水管線(xiàn)。總建筑面積為149 863.28 m2，地下建筑為38 642.32 m2，主樓設(shè)計(jì)地上23層，地下2層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)。工程基坑開(kāi)挖深度為10 m。

3.2 周邊地質(zhì)條件

該工程地形基本平坦，場(chǎng)地地層通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)以及土工試驗(yàn)，共有五層，第一層是雜填土，主要是建筑垃圾(磚塊、混凝土塊、灰渣等)和粉質(zhì)黏土，第二層是粉土，主要是云母碎屑夾粉質(zhì)黏土或細(xì)砂薄層，第三層、第四層以及第五層均是粉質(zhì)黏土，含有機(jī)質(zhì)、夾粉土及夾黏土等。穩(wěn)定水位埋深約3.0 m～4.0 m，地下水類(lèi)型均為上層滯水。建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防類(lèi)別為7度。

3.3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

方案一：地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐；

方案二：灌注樁+內(nèi)支撐；

方案三：灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿。

此三種方案均可滿(mǎn)足支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)保證施工過(guò)程中的安全性，但是實(shí)際通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)該基坑?xùn)|臨市政主干道，且工作面積較大，同時(shí)內(nèi)支撐方案耗用較長(zhǎng)的時(shí)間，施工成本較高，對(duì)周邊的環(huán)境影響較大等因素，不適合采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，因此淘汰方案一和方案二，選用第三種方案，采用灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿的方式進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)止水帷幕采用單排水泥土攪拌樁。

4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)采用7個(gè)工況進(jìn)行，具體見(jiàn)表1。

表1 工況設(shè)計(jì)情況表

4.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，土條寬度為0.5 m，使用有效應(yīng)力法確定邊坡的應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算，滑裂面的圓弧半徑為34.780 m，通過(guò)計(jì)算求得整體穩(wěn)定系數(shù)為1.45，大于1.25，符合規(guī)范要求。

表2 工況抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算表

4.3 地表沉降

通過(guò)理正軟件計(jì)算地表沉降量，見(jiàn)圖1。通過(guò)圖1可以得知，不同的計(jì)算方法得出的沉降量不同，其中沉降量最大的是指數(shù)法，拋物線(xiàn)法求得的沉降量最小，沉降量發(fā)生位置最大的是基坑的坑壁處，離得越遠(yuǎn)，沉降量逐漸減小。拋物線(xiàn)法計(jì)算得出的沉降量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，從三種方法中得出，計(jì)算結(jié)果基本上超過(guò)基坑預(yù)警值，由于適用條件不同，本工程采用的是拋物線(xiàn)法。

4.4 基坑監(jiān)測(cè)

基坑監(jiān)測(cè)的目的是為了隨時(shí)整理實(shí)際數(shù)據(jù)，與理想值進(jìn)行比較，保證基坑施工過(guò)程中的安全性。本基坑屬于一級(jí)基坑，監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移；支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移；周邊管線(xiàn)的沉降；周邊建筑、市政道路的沉降。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置依據(jù)不同的重點(diǎn)部位進(jìn)行不同的布置安排。其中支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在基坑的四周進(jìn)行布置，以及基坑每邊的中部和地質(zhì)條件差的地方，且監(jiān)測(cè)距離的布置應(yīng)該不大于20 m，每邊不少于3個(gè)。沉降的監(jiān)測(cè)主要有基坑邊上地表的沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在周邊土層或柔性路面上。監(jiān)測(cè)面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離宜在20 m以?xún)?nèi)。基坑周?chē)叵鹿芫€(xiàn)的監(jiān)測(cè)主要在管節(jié)、豎井周?chē)约肮芫€(xiàn)易破碎處設(shè)置，同樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離宜在20 m以?xún)?nèi)。周邊道路的監(jiān)測(cè)距離在30 m以?xún)?nèi)，每條路不少于3個(gè)。

基坑工程的監(jiān)測(cè)應(yīng)該貫穿于基坑工程和地下工程施工的全過(guò)程。當(dāng)開(kāi)挖深度小于5 m，監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)為2天1次，本工程的開(kāi)挖深度為10 m，觀(guān)測(cè)頻率應(yīng)為1天1次。同時(shí)當(dāng)?shù)装鍧仓? d內(nèi)，應(yīng)該增加監(jiān)測(cè)頻率，1天2次。

監(jiān)測(cè)報(bào)警值以及變化速率見(jiàn)表3。

表3 監(jiān)測(cè)報(bào)警值以及變化速率

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)生以下情況應(yīng)立即報(bào)警，并采用有效的措施保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1)監(jiān)測(cè)次數(shù)達(dá)到監(jiān)測(cè)報(bào)警值的累計(jì)值；

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)或者是基坑周邊出現(xiàn)較大的流砂、管涌等情況；

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐或者是錨桿變形過(guò)大；

4)周邊建筑出現(xiàn)較大裂縫或者是變形；

5)周邊管線(xiàn)明顯增長(zhǎng)或者是裂縫；

6)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，其他必須進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警的情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了基坑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而且針對(duì)某一具體的基坑進(jìn)行了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確保了基坑的穩(wěn)定。